弹簧扭矩计算
弹簧公差对照表
弹簧公差对照表圆柱螺旋压簧技术标准1.弹簧的结构形式及分类：两端圈并紧并磨平，两端圈并紧不磨，两端圈不并紧。
2.极限偏差等级：弹簧特性与尺寸的极限偏差分为1、2、3三个等级，各项目的等级应根据使用需要分别独立选定。
3.永久变形：将弹簧成品用试验负荷压缩三次后，其永久变形不得大于自由高度的0.3%。
将弹簧成品用试验负荷压缩三次后，测量第二次与第三次压缩后的自由高度变化值。
4.弹簧特性：在指定高度的负荷下，弹簧变形量应在试验负荷下变形量的20-80%之间。
要求1级精度时，弹簧在指定高度负荷下的变形量应在4mm以上。
5.弹簧刚度：在特殊需要时采用，其变形量应在试验负荷下变形量30-70%之间。
6.尺寸及极限偏差：1)弹簧外径或内径1 2 3≥ 4 ~ 8±0.01D,最小±0.15 ±0.015D,最小±0.2 ±0.025D,最小±0.4＞9 ~15 ±0.015D,最小±0.2 ±0.02D,最小±0.3 ±0.03D,最小±0.5＞15 ~ 22 ±0.02D,最小±0.3 ±0.03D,最小±0.5 ±0.04D,最小±0.7 2)弹簧自由高度1 2 3≥ 4 ~ 8±0.01H0,最小±0.2 ±0.02H0,最小±0.5 ±0.03H0,最小±0.7＞9 ~15 ±0.015H0,最小±0.5 ±0.03H0,最小±0.7 ±0.04H0,最小±0.9＞15 ~ 22 ±0.02H0,最小±0.6 ±0.04H0,最小±0.8 ±0.06H0,最小±1 3)弹簧总圈数(当弹簧有特性要求时，总圈数作为参考)总圈数极限偏差≤10±0.25＞10 ~ 20 ±0.5＞20 ~ 50 ±1.04)弹簧垂直度精度等级 1 2 3垂直度0.02H0(1°26′)0.05H0(2°52′)0.08H0(4°34′) 5)指定高度时的负荷P的极限偏差1 2 3≥ 3 ~ 10±0.05P ±0.10P ±0.15P＞10 ±0.04P ±0.08P ±0.12P6)弹簧刚度P′的极限偏差1 2 3≥ 3 ~ 10±0.05P′±0.10P′±0.15P′＞10 ±0.04P′±0.08P′±0.12P′7）节距：等节距的弹簧在压缩到全变形量的80%时，其正常节距圈不得接触。
弹簧的强度计算 1、弹簧的受力 图示的压缩弹簧,当弹簧受轴向压力
弹簧的强度计算1、弹簧的受力图示的压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，在弹簧丝的任何横剖面上将作用着：扭矩 T= FRcosα ，弯矩 M= FRsinα，切向力F Q = Fcosα和法向力 N F = Fsinα （式中R为弹簧的平均半径）。
由于弹簧螺旋角α的值不大（对于压缩弹簧为6～90 ）,所以弯矩M和法向力N 可以忽略不计。
因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。
α的值较小时，cosα≈ 1,可取T = FR 和 Q = F。
这种简化对于计算的准确性影响不大。
当拉伸弹簧受轴向拉力F时，弹簧丝横剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T 和切向力Q均为相反的方向。
所以上述两种弹簧的计算方法可以一并讲述。
2、弹簧的强度从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝系数K s可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得到扭应力式中K为曲度系数。
它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。
一定条件下钢丝直径3、弹簧的刚度圆柱弹簧受载后的轴向变形量式中n为弹簧的有效圈数；G为弹簧的切变模量。
这样弹簧的圈数及刚度分别为对于拉伸弹簧，n>20时，一般圆整为整圈数，n<20时，可圆整为1/2圈；对于压缩弹簧总圈数n的尾数宜取1/4、1/2或整圈数，常用1/2圈。
为了保证弹簧具有稳定的性能，通常弹簧的有效圈数最少为2圈。
C值大小对弹簧刚度影响很大。
若其它条件相同时，C值愈小的弹簧，刚度愈大，弹簧也就愈硬；反之则愈软。
不过，C值愈小的弹簧卷制愈困难，且在工作时会引起较大的切应力。
此外，k值还和G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
4、稳定性计算压缩弹簧的长度较大时，受载后容易发生图a)所示的失稳现象，所以还应进行稳定性的验算。
为了便于制造和避免失稳现象出现，通常建议弹簧的长径比 b =H0/D2 按下列情况取为：弹簧两端均为回转端时，b≤2.6；弹簧两端均为固定端时，b≤5.3 ；弹簧两端一端固定而另一端回转时，b≤3.7。
圆柱螺旋弹簧一般计算公式
1. 弹簧刚度：
2. 力值： 其中：G 为材料剪切模量，一般不锈钢取71500Mpa,碳钢取
78500Mpa ；
d 为材料直径；
D 为弹簧中径；
n 为弹簧有效圈数；
f 为变形量（拉压行程）。
3. 应力： K 为曲度系数，公式为： 其中C 为弹簧旋绕比，是弹簧中径与线径的比值，即
4. 下表是GB/T23935-2009（圆柱螺旋弹簧设计计算）中压缩弹簧及拉伸弹簧的试验切应力及许用应力表
表2-1
n D d G 34
,
8P =f 8f 34,
⋅==n D Gd P P K PC K ⋅=⋅=2
3d 8d 8PD ππτC
C C K 615.04414+--=d D
C =
比压簧多了初拉力，加上初拉力就行。
初拉力： 其中初拉力τ0按初切应力图选取，见下图。
三．扭簧：
1.计算刚度 Dn
Ed M 3670'4= Nmm/° 2.扭矩 ϕ⋅=Dn
Ed M 36704
Nmm 式中:d---材料直径；
E---材料的弹性模量，一般不锈钢丝取188000Mpa ，碳素钢丝
取206000Mpa ；
D---弹簧外径；
ϕ---弹簧的扭转行程（角度）；
4. 应力： K1为曲度系数，顺旋向扭转取1，逆旋向扭转时按下式：
308τπ⋅=D d P 132
.10K d
M ⋅=σ
下表是GB/T23935-2009（圆柱螺旋弹簧设计计算）中扭转弹簧的试验切应力及许用应力表
C
C C C K 4414221---=。
弹簧设计计算软件
L=n*l+钩 mm 316.44 环展开尺
寸
计算
公式
661.5 N/mm2
78500 N/mm2 203000 N/mm2
备注
2.16 mm
Mn'>Mn
合理
8
n)/(3667* Mn*D)= φn/Ψn=
23 工作极限扭矩 Mj
N.mm
787.5
Mj=(d^3* [σ BP])/(10* K)
24 最小工作扭矩 M1 25 工作极限扭矩下扭转角 φj
N.mm （°）
295
M1=φ 1/(Ψ'*n)
88 φj=Ψ '*n*Mj
步骤 原始条件
选材
系数选取
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13
14
15 16
17
18
19
项目 最大工作扭矩 Mn 最大扭转角φn 工作扭转角φ 旋向 负荷种类 制造精度
弹簧材料
弹簧许用切应力 [τp] 弯曲应力 σb
许用弯曲应力 [σBP]
剪切弹性模量 G 弹性模量 E
圆柱螺旋扭转弹簧计算
（°） （°）
8.372 11.025
Ψn=Ψ '*Mn
Ψj=Ψ '*Mj
公式
Ψ
'=(3667*
20 在1N.mm扭矩作用下单圈扭转角Ψ' （°） 0.014 D)/(E*d^ 4)=Ψ
n/Mn l=((π
21 弹簧单圈展开长度 l
mm
37.68
*D)^2*t^ 2)^(1/2)
≈π*D
参数计算 22 有效圈数 n
26 最小工作扭矩下扭转角 φ1
弹簧的计算公式
線徑d（mm)中徑D（mm)有效圈數n 材质G/(Kg/mm )许用剪切应力[τ]（Mpa）最大许用压力Ps(Kg.f)20110560Si2Mn 80007402154.368弹簧丝直径d （mm ）0.2～0.40.5～1 1.1～2.2 2.5～67～1618～40C 7～145～125～104～104～84～6，通常α取5～90 。
弹簧丝材料的长度： δ=t-d ；弹簧的自由长度： H=n·δ+(n0-0.5)d （两端并紧磨平）； H=n·δ+(n0+1)d （两端并紧，但不磨平）。
弹簧螺旋升角：t=d （对拉伸弹簧）；式中：λmax --- 弹簧的最大变形量；Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d 。
弹簧钢丝间距：弹簧节距t 一般按下式取：（对压缩弹簧）；弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C 是最重要的参数之一。
C=D2/d ，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。
常用弹簧指数的选取参见表。
弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d 、弹簧圈外径D 、弹簧圈内径D1，弹簧圈中径D2，节距t 、螺旋升角a 、自由长度H0等。
2、弹簧参数的计算压缩弹簧参数计算圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸1、弹簧的主要尺寸（见右图）式中n 为弹簧的有效圈数；G 为弹簧的切变模量。
这样弹簧的圈数及刚度分别为3、弹簧的刚度圆柱弹簧受载后的轴向变形量式中K 为曲度系数。
它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。
一定条件下钢丝直径系数Ks 可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝当拉伸弹簧受轴向拉力F 时，弹簧丝槽剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T 和切向力Q 均为相反的方向。
弹簧选材及计算公式
弹簧的材料、选材与制造newmaker1 弹簧材料为了保障弹簧能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性、塑性和良好的热处理工艺性等。
表20-2列出了几种主要弹簧材料及其使用性能。
实践中应用最广泛的就是弹簧钢，其品种又有碳素弹簧钢、低锰弹簧钢、硅锰弹簧钢和铬钒钢等。
图20-2给出了碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限。
图20-2 碳素钢丝直径与强度的关系表20-2 主要弹簧材料及其许用应力类别代号许用扭应力[t T]许用弯曲应力[σb]/MPa 切变模量G/GPa弹性模量E/GPa推荐硬度范围HRC推荐使用温度°C特性及用途Ⅰ类弹簧Ⅱ类弹簧Ⅲ类弹簧Ⅰ类弹簧Ⅱ类弹簧钢丝碳素弹簧钢丝Ⅰ,Ⅱ,Ⅱa,Ⅲ0.3σb0.4σb0.5σb0.5σb0.625σb81.5～78.5204～202--40～120强度高，性能好，适于做小弹簧60Si2Mn60Si2MnA471 627 785 785 98178.5 19745～50-40～200弹性好，回火稳定，易脱碳，适于做受大载荷的弹簧65Si2MnWA60Si2CrVA560 745 931 931 1167 47～52-40～250强度好，耐高温，弹性好注：1.按受力循环次数N不同，弹簧分为三类：Ⅰ类N>106；Ⅱ类N=103～105以及受冲击载荷的场合；Ⅲ类N<103。
2.碳素弹簧钢丝按机械性能不同分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ四组，Ⅰ组强度最高，依次为Ⅱ、Ⅱa、Ⅲ组。
3.弹簧的工作极限应力tlim：Ⅰ类￡1.67[t]；Ⅱ类￡1.25[t]；Ⅲ类￡1.12[t]。
4.轧制钢材的机械性能与钢丝相同。
5.碳素钢丝的切变模量和弹性模量对0.5～4mm直径有效，>4mm取下限。
2 材料选择弹簧材料选择必须充分考虑到弹簧的用途、重要程度与所受的载荷性质、大小、循环特性、工作温度、周围介质等使用条件，以及加工、热处理和经济性等因素，以便使选择结果与实际要求相吻合。
弹簧校核计算 计算表
校核合格
比(弹簧指
2，刚度计算
弹簧总圈数 弹簧有效圈数N 弹簧刚度K(N/磨平死圈
63.2
K Gd 4
100
8D3 N
弹簧丝直径d（mm） C
表3 碳素 弹簧钢与
长细比b 弹簧安装方式
5.00 两端固定
材料
参数
判断是否失稳
稳定,无需计算稳定性
载荷性质
不稳定系数Cu
295.68
载荷性质： I=无限疲劳寿命，交变载荷次数 >106，如内燃机气门弹簧、电磁 制动器弹簧；
附表 弹簧 钢抗拉强
II=有限疲劳寿命，交变载荷次数 103~105,如一般车辆弹簧
III=静载荷，交变载荷次数 <103，如安全阀弹簧
材料
I类弹簧 II类弹簧 III类弹簧 I类弹簧 II类弹簧 III类弹簧 I类弹簧 II类弹簧 III类弹簧
0.25
图1
弹簧线径d(mm)
3，压缩弹簧稳定 稳定临界载荷Fc(N) 性(拉伸弹簧不做) 实际负载压F(N)
1580.00 2000
抗拉强度σb(MPa)(右表) 扭转弹簧许用弯应[σp](MPa
判断稳定性
稳定，无需计算稳定性
说明：
如果F>Fc，应重新选择有关参数，改变b值，提高Fc的大小，使其大于
65Mn
340 455 570 285 325 380 455 570 710
硅锰,铬钒
55Si2Mn(B 铬锰钢
60Si2Mn( 55CrMnA
A
60CrMnA
50CrVA
445
430
590
570
740
710
370
360
弹簧的计算公式
線徑d（mm)中徑D（mm)有效圈數n 材质G/(Kg/mm )许用剪切应力[τ]（Mpa）最大许用压力Ps(Kg.f)20110560Si2Mn 80007402154.368弹簧丝直径d （mm ）0.2～0.40.5～1 1.1～2.2 2.5～67～1618～40C 7～145～125～104～104～84～6，通常α取5～90 。
弹簧丝材料的长度：（对压缩弹簧）； δ=t-d ；弹簧的自由长度： H=n·δ+(n0-0.5)d （两端并紧磨平）； H=n·δ+(n0+1)d （两端并紧，但不磨平）。
弹簧螺旋升角：t=d （对拉伸弹簧）；式中：λmax --- 弹簧的最大变形量；Δ --- 最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d 。
弹簧钢丝间距：弹簧节距t 一般按下式取：（对压缩弹簧）；弹簧设计中，旋绕比（或称弹簧指数）C 是最重要的参数之一。
C=D2/d ，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。
常用弹簧指数的选取参见表。
弹簧总圈数与其工作圈数间的关系为：如图所示，圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径d 、弹簧圈外径D 、弹簧圈内径D1，弹簧圈中径D2，节距t 、螺旋升角a 、自由长度H0等。
2、弹簧参数的计算压缩弹簧参数计算圆柱螺旋压缩与拉伸弹簧的设计1 圆柱弹簧的参数及几何尺寸1、弹簧的主要尺寸（见右图）式中n 为弹簧的有效圈数；G 为弹簧的切变模量。
这样弹簧的圈数及刚度分别为3、弹簧的刚度圆柱弹簧受载后的轴向变形量式中K 为曲度系数。
它考虑了弹簧丝曲率和切向力对扭应力的影响。
一定条件下钢丝直径系数Ks 可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率的影响，可得从受力分析可见，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，对于圆形弹簧丝当拉伸弹簧受轴向拉力F 时，弹簧丝槽剖面上的受力情况和压缩弹簧相同，只是扭矩T 和切向力Q 均为相反的方向。